類比分析法在液壓與氣壓傳動課程教學改革中的應用研究

劉 智 劉修泉 楊 偉 張濤川 劉 俊

（佛山職業技術學院 機電工程學院，廣東 佛山 528137）

0 引言

液壓與氣壓傳動技術作為流體傳動的一個重要分支在國防、航空航天、汽車、工程機械、造船、機床等眾多領域得到廣泛應用。液壓與氣壓傳動課程更是普通高校機械工程專業學生的一門專業必修課程，在機械工程領域具有很強的實踐性和應用性[1]。

本課程的學習要求學生具有較好的空間想象能力、識圖能力以及一定的理論基礎。由于課程內容的概念相對比較抽象、各種液壓元件內部結構及原理相對復雜，從而導致了教師授課質量以及學生學習質量不甚理想。因此，怎樣在本課程教學過程中開展教學改革，提高教師授課質量和學生的學習質量及興趣便成為亟待解決的一個關鍵問題。針對傳統液壓教學存在的問題，以培養學生工程實踐能力為目標，倪君輝等人開展了液壓與氣壓傳動課程教學改革與實踐[2]。通過實施模塊化液壓項目教學，利用Fluid SIM仿真軟件對典型元器件、基本回路進行仿真及調試，從理論和實踐的角度對課程知識點進行講解。芮宏斌[3]等人圍繞液壓與氣壓傳動課程，從教學方法、實踐教學環節和教學考核等方面進行了改革，運用現代化的教學手段，通過構建技能訓練與研究能力培養相結合的教學內容，創新考核評價體系，激發學生的求知欲，促進學生創新意識和實踐能力提高。楊國善積極創設適當的教學情境，對提高學生學習液壓與氣壓傳動課程的熱情和全面培養學生綜合素質及能力有積極作用[4]。李松[5]等人依據培養創新人才理念，結合液壓與氣壓傳動課程實踐環節特點，針對不同專業，從實踐教學內容、方法及延伸性等方面進行了改革和實施。熊志宏[6]、潘靜[7]等人根據教學目標重新修訂教學內容，教學大綱、理論教學、實踐性教學環節及教學考核，對教學方法和教學手段進行改革，加強實踐教學環節建設，使理論教學與實踐教學有機結合起來，提高了教學質量。

本文結合自身多年在基礎課程教學中的經驗，創造性地將電工基礎中的基本理論通過類比分析方法，運用到液壓與氣壓傳動課程教學當中，用于輔助流體力學基本理論、液壓元器件以及常見液壓基本回路等核心知識點的理解和分析，以此來達到提高學生的學習效果及興趣和教師的授課質量的目的。

1 類比分析方法研究

液壓傳動中的某些液壓元件跟電氣傳動當中某些元器件在對應的回路中的功能極其相似，甚至一些基本理論亦是如此。比如，電子從高壓處往低壓處流動形成電流；液壓油亦從高壓處往低壓處流動形成液壓油的流量。下面采用類比分析方法闡述電工基礎中的基本理論在輔助液壓基本理論、典型液壓元器件、常見基本回路知識點理解的案例。

1.1 基本理論類比分析

如圖1所示，一定大小的電流I經純電阻R1后接地，電阻上的壓降為U1。

圖1 純電阻電路

在忽略其他損失的情況下，由物理學知識可知，電阻上消耗的電功率P為：

在液壓系統中，以常見的執行元件液壓缸為例，如圖2所示，在壓力油的作用下，液壓缸活塞缸以一定速度v向外伸出，并產生一定的推力F。

圖2 液壓缸工作回路示意圖

假定忽略摩擦和其他能量損失，此時液壓缸消耗的功率P為：

式中，P為功率，kW；F為推力，N；v為速度，m/s；p為油壓，MPa；A為面積，m2；Q為流量，L/min。

將上述兩種回路中原件所消耗功率的表達式列出如下：

通過上述表達式可以看出：電路中電壓對應液壓傳動系統中的油壓；電路中電流對應液壓傳動系統中的流量；二者乘積均等于對應回路中元件所消耗掉的功率。

1.2 基本元件類比分析

二極管具有單向導電性能，即給二極管陽極和陰極加上正向電壓時，二極管導通。當給陽極和陰極加上反向電壓時，二極管截止。二極管的導通和截止，則相當于某一條支路上開關的接通與斷開。如圖3所示。

圖3 二極管原理圖及實物圖

單向閥具有單向流通性，即給單向閥正方向通入壓力油（A→B）時，單向閥導通。當單向閥反方向通入壓力油時，單向閥截止。單向閥的導通和截止，則相當于某一條油路上閥門的接通與斷開。如圖4所示。

圖4 液壓單向閥原理圖及實物圖

通過對上述元件的對比分析可以看出：電路中的二極管與液壓元件中的單向閥在原理和功能上極其相似。在兩種不同物理回路中，與上述二極管和單向閥一樣具有類似功能的元器件還有變壓器和減壓閥（增壓缸）、接觸器和換向閥、電容和蓄能器、三極管和先導閥、滑動變阻器和調速閥（節流閥）等。

1.3 基本回路類比分析

除了上述基本理論、典型元器件在兩種不同物理回路中存在功能相似的地方以外，常見基本回路也存在相似的地方?，F在以能耗制動回路為例，說明它們在兩種不同回路中原理和功能相似的地方。

如圖5所示液壓馬達制動回路，電磁閥線圈Y01的通電與失電分別對應著馬達的啟動與停止。當電磁閥線圈Y01通電的時候，兩位兩通電磁閥工作在左位，馬達進口壓力為15MPa，回油路上的順序閥被打開，馬達出口的油液經順序閥回到油箱，馬達便以一定速度朝某個方向轉動。當電磁閥線圈Y01失電的時候，P口的壓力油經兩位兩通電磁閥右位回到油箱，液壓馬達進口壓力基本為零，順序閥關閉。此時，液壓馬達轉軸所帶動的負載由于慣性力繼續按原方向旋轉，馬達出口繼續排油，而馬達出口回油路上順序閥的開啟壓力為7MPa。因此，此時馬達出口壓力為7MPa，進口壓力基本為零，液壓馬達進出口壓差便形成一個反向制動扭矩使馬達迅速停止轉動。

圖5 液壓馬達能耗制動回路

如圖6所示電動機制動回路，當合上電源開關和主觸頭KM1時，電動機開始轉動。當要給電動機制動時，斷開KM1主觸頭并合上KM2主觸頭，此時切斷電動機定子繞組上的三相交流電，并給定子繞組提供直流電，在定子繞組上形成一個方向和大小恒定的磁場。轉子由于慣性繼續旋轉而切割磁場的磁感線并產生感應電流，帶有感應電流的轉子繞組在磁場中形成與旋轉方向相反的制動電磁轉矩T，在制動轉矩T的作用下，電動機迅速停止轉動。

圖6 三向異步電機能耗制動回路

通過對上述制動回路進行分析可以看出，兩者均是通過自身的能量形成制動轉矩，并最終使馬達（電動機）迅速停止轉動。

2 結語

上文中通過對電工基礎與液壓與氣壓傳動課程中基本理論、典型元器件和常見液壓回路進行類比分析可以看出，電工基礎中的相關知識點能夠較為直觀的輔助液壓與氣壓傳動課程中相關知識點的分析，能加深學生對液壓與氣壓傳動這門課程相關知識點的理解，并掌握相關內容的類比分析方法，在提高學生對液壓與氣壓傳動這門課程的學習效果及教師的教學質量方面起著積極的促進作用。